CAE講义2010.doc

计算机辅助工程分析讲义 四川大学制造科学与工程学院 杨随先 2010年2月  绪 论 有限元法及其应用 计算机辅助工程（CAE）是一种迅速发展的计算技术，是实现重大工程和工业产品计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程师、科学家进行创新研究、产品创新设计最重要的工具和手段。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。经过几十年的发展，在航空、航天、机械、汽车、船舶、电子、土木工程、材料等领域获得了成功的应用。“十一五”期间，CAE方法和软件正在逐步成为制造业信息化深化应用的关键技术。 国际大型企业在产品研发过程中，已经普遍应用了CAE技术。中国制造企业对CAE的应用还远远不够深入，企业在认知、掌握和应用CAE的程度远远低于CAD、CAM等技术，制造企业对CAE应用的重视程度远远不够。增强产品开发能力、缩短产品开发周期、提高设计质量及优化产品开发流程、降低产品开发和维护成本、大力推广CAE技术在产品设计和制造过程中的应用，已成为提高企业核心竞争力的当务之急。 有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元方法最初是应用于研究结构力学问题——飞机结构静、动态特性分析，它也适用于广泛的工程技术领域。有限元方法很快就广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。目前已成为机械产品动、静、热特性分析的重要手段。 有限元方法的基本概念是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限个形状简单的子区域（单元），即将一个连续体简化为由有限个单元组成的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、应变、位移和温度等）问题转化为求解有限个单元节点上的场变量值。 近20年来，设计领域正进行着一场深刻的变革，如用理论设计代替经验设计、用精确设计代替近似设计、用优化设计代替一般设计、用动态设计代替静态设计、用并行设计代替串行设计等。这些设计都需要在设计阶段掌握产品的性能。有限元方法就提供了在设计阶段掌握产品性能的强有力工具。可以认为，有限元方法是利用计算机对机械产品的动态特性、静态特性、热特性等进行模拟试验。有限元分析已成为计算机辅助工程（CAE）的一个重要组成部分。 有限元分析的典型步骤为：① 单元划分或物体离散化。将结构划分成一系列的离散单元。② 单元特性分析。包括选择位移模式、分析单元力学性质和计算等效节点力。③ 整体合成或单元组集。构建整体有限元方程。④ 数值求解。求解有限元方程，得出节点位移（或节点场量值）。 用有限元方法进行工程分析的过程一般包括以下三个阶段：有限元模型的建立和数据输入；用分析软件进行工程计算；分析结果的判读和评定。如图1所示（以应力分析为例）。 目前，对于一般的工程分析问题都可采用现有的商业化有限元分析软件来进行分析。这样的商业化软件很多，如SAP、ANSYS、NASTRAN、COSMOS/M、JIFEX95（大连理工大学）等，以及Pro/Engineering、I-DEAS、UG等大型集成化软件中的CAE模块。 CAE技术发展概述 计算机辅助工程(CAE) 技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。CAE 软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合，而形成一种综合性、知识密集型信息产品。CAE的核心理论是基于现代计算力学的有限单元（简称有限元）分析技术。 CAE 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程或产品功能和性能的可用性和可靠性。准确地说，CAE 是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来在保证产品功能或工艺过程的基础上，使产品或工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动/动力学仿真用来对CAD 建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE 的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。 CAE具体的含义表现为以下几个方面： (1) 运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析； (2) 运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优； (3) 运用结构强